技術(shù)手冊

UART

通用異步收發(fā)器 (UART) 是一種非常簡單的兩線制串行接口，可實(shí)現(xiàn)兩個設(shè)備之間的低速通信。兩條推挽單向線為接收 (RX) 和發(fā)送 (TX)組件。該接口無需時鐘即可工作，因此接收器通過對正電壓脈沖的周期進(jìn)行采樣來自動確定位速率。自動位速率檢測限制了 UART 所能達(dá)到的最大位速率，因此數(shù)據(jù)速率超過 100kbps 的情況非常少。

UART 僅需要隔離兩個通道，較低的速率使得簡單易用的低成本解決方案成為理想的選擇。圖 1-1 所示為一個使用光耦合器電路的隔離式 UART 接口，以及一個使用 ISO6721 的等效電路，TI 的數(shù)字隔離器解決方案適用于成本敏感型應(yīng)用。

UART 接口通常配置有標(biāo)準(zhǔn)二極管輸入和集電極開路輸出光耦合器。光耦合器需要額外的電路，這會增加電路板空間并導(dǎo)致額外的功耗。在光耦合器的輸入側(cè)，需要將一個串聯(lián)電阻器 R_i 連接到陽極，從而限制流經(jīng)二極管的電流。由于器件老化，光耦合器的電流傳輸比 (CTR) 會降低。為了在系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)保持相同的性能水平，設(shè)計(jì)人員必須選擇使用一個具有高 R_i 的電阻器來進(jìn)行過度設(shè)計(jì)，這會消耗額外的電流。

集電極開路輸出需要一個上拉電阻 R_L，從而創(chuàng)建邏輯高電平狀態(tài)。選擇合適的 R_L 值，從而盡可能地降低功耗，同時還保持所需的時序規(guī)格。為了確保光耦合器的輸出具有最大電壓擺幅，從而滿足適當(dāng)?shù)倪壿嫺唠娖綘顟B(tài)并保持穩(wěn)健的信號完整性，選擇高 R_L 值非常重要。相反，增大此值會降低光耦合器響應(yīng)高電阻負(fù)載和光晶體管高結(jié)電容所導(dǎo)致的快速電壓變化的速度，最終限制設(shè)計(jì)人員為 UART 實(shí)施的總速度。

與光耦合器解決方案相比，ISO6721 數(shù)字隔離器消耗的電流減少了 5 至 10 倍。表 1-1 所示為兩個電路之間總電流消耗的差異。此外，由于未使用額外的無源器件，ISO6721 提供了非常嚴(yán)格的通道間時序規(guī)格和較小的解決方案尺寸。光耦合器電路的外形尺寸 (7mm × 7.4mm) 約為單個數(shù)字隔離器尺寸 (6mm × 4.9mm) 的兩倍。ISO6721 數(shù)字隔離器電路簡單易用，是被廣泛使用的一種更佳的簡單型數(shù)字接口解決方案。

SPI

串行外設(shè)接口 (SPI) 是一種 CMOS 邏輯串行接口，需要四條單向數(shù)據(jù)線路。SPI 的優(yōu)勢在于其具有更高的速度，位速率通常會超過 1Mbps，在某些情況下甚至?xí)_(dá)到 30Mbps。SPI 的推挽輸出可滿足快速切換的要求，獨(dú)立的發(fā)送和接收線路支持全雙工通信，而共享接口時鐘可自動使雙方之間的位邊界同步，因此能夠滿足高速要求。SPI 是一個“主-輔”接口，這意味著總線上只有一個設(shè)備可以控制何時允許進(jìn)行通信。

需要四個通道來隔離 SPI 接口。四種典型的 SPI 接口線為 SCLK、CS、MOSI 和 MISO。有兩種類型的高速光耦合器可與 SPI 一同使用：集電極開路輸出和圖騰柱輸出。這些類型的光耦合器最多只能集成兩個通道，這意味著必須將兩個到四個光耦合器一同使用從而隔離所有四個 SPI 通道。

如 圖 1-2 所示，使用高速集電極開路輸出時，還需要一個串聯(lián)電阻 R_i，在這種情況下，電阻器和光耦輸入并聯(lián)電容的組合將產(chǎn)生一個低通濾波器。低通濾波器限制了位速率最大值和 SPI 總吞吐量。

為了減輕這種影響，在電阻器 R_i 的兩端放置了一個電容器 C_peak，從而銳化位流的邊緣。具有集電極開路輸出的光耦合器將需要一個上拉電阻器 R_L 來創(chuàng)建邏輯高電平狀態(tài)。高電阻值不僅會限制可實(shí)現(xiàn)的位速率，還會降低電路級的功耗，因此 R_L 值會帶來挑戰(zhàn)。

除具有集電極開路輸出的高速光耦合器外，還提供具有推挽輸出的產(chǎn)品。對于高速圖騰柱輸出光耦合器，輸入的配置方式與集電極開路的配置方式相同，但輸出為推挽式配置，不需要上拉電阻。該拓?fù)湓诠怦詈掀鲀?nèi)部完成輸出反轉(zhuǎn)。

考慮到 SPI 接口旨在實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸，因此隔離系統(tǒng)支持 20Mbps 或 10MHz 頻率來滿足行業(yè)速度要求至關(guān)重要。一種常見的誤解是 SPI 接口的數(shù)據(jù)速度受隔離器速度限制，而實(shí)際上是傳播延遲限制了速度。時鐘到數(shù)據(jù)路徑的往返延遲將限制接口的最大速度。

圖 1-3 所示為通過隔離器的 SCLK 信號與 MISO 響應(yīng)和接回?cái)?shù)據(jù)的關(guān)系。在圖中，來自 SOC 的藍(lán)色時鐘信號被 MCU 上的隔離器傳播延遲所延遲。當(dāng) MCU 響應(yīng)并將數(shù)據(jù)發(fā)送回 SOC 時，接收到的數(shù)據(jù)會通過隔離器經(jīng)歷第二次延遲。因此，初始時鐘沿與接收數(shù)據(jù)之間的總延遲約為隔離器傳播延遲的兩倍：2 × t_PROP < ? t_SCLK。

為了滿足 10MHz 的要求，需要滿足最大為 25ns 的傳輸延遲。光耦合器通常需要 350Ω 的較小 R_L 才能滿足快速時序規(guī)格，并且通常將 SPI 時鐘速率限制在 7MHz，而不考慮額外的裕量。較小的 R_L 會導(dǎo)致光耦合器輸出消耗更多的功率。市場上有各種光耦合器解決方案，但是在高功耗和更嚴(yán)格的時序之間要進(jìn)行充分權(quán)衡。

圖 1-2 展示了如何僅用一個 ISO6741 器件，而不是使用兩個帶有附加無源器件的高速光耦合器來隔離 SPI。光耦合器電路板尺寸為 12mm × 21.5mm，而 ISO6741 數(shù)字隔離器的尺寸僅為 16mm × 12mm。ISO6741 具有 CMOS 輸入和推挽輸出，因此無需數(shù)據(jù)路徑中的所有無源器件。表 1-2 還對功耗進(jìn)行了比較。對于更復(fù)雜的數(shù)字接口解決方案（如 SPI）而言，選擇具有可靠時序規(guī)格的隔離器來滿足快速數(shù)據(jù)速率要求，同時保持較低的功耗十分關(guān)鍵。

I2C

內(nèi)部集成電路 (I2C) 接口是一種兩線制串行接口，可高效地將多個器件連接在同一總線上。I2C 總線由兩條線路組成：一條雙向串行數(shù)據(jù)線路 (SDA) 和一條串行時鐘線路 (SCL)，這兩條線路可以是單向的，也可以是雙向的，具體取決于設(shè)計(jì)?？偩€線路的輸出結(jié)構(gòu)為集電極開路，以為總線共享提供便利。I2C 雙向通道為隔離帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。隔離通道必須支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，并且電路必須確保它在由發(fā)送器驅(qū)動時不會驅(qū)動自己的線路。

過去，隔離 I2C 是通過用于控制線路上數(shù)據(jù)方向的光耦合器和分立式邏輯來實(shí)現(xiàn)的。為了避免總線故障和雙向線路上的任何閂鎖現(xiàn)象，需要使用分立式元件。如果沒有分立式元件，則設(shè)計(jì)就有可能在線路上存在以下風(fēng)險(xiǎn)：左側(cè)將信號線驅(qū)動到右邊的低電平，然后右側(cè)將信號驅(qū)動到左邊的低電平。這將產(chǎn)生閂鎖條件，在這種情況下，雙向線路將不會釋放從而返回高電平。圖 1-4 所示為一個使用光耦合器的 I2C 隔離電路，其速率可達(dá) 400kbps。為簡單起見，此 I2C 圖顯示了“主-輔”實(shí)現(xiàn)，其中 SCL 僅為單向信號。需要兩個光耦合器器件：一個用于發(fā)送 SCL 和 SDA，另一個用于接收 SDA。

除了 I2C 接口所需的上拉電阻外，該電路還需要晶體管 Q1 和 Q2 以及二極管 D1 和 D2，從而產(chǎn)生集電極開路輸出并避免雙向線路上發(fā)生總線爭用。330Ω 的上拉電阻值可用于為光耦合器輸入提供更高的輸入電流，從而使所需的開通時間達(dá)到要求。

更現(xiàn)代的數(shù)字隔離器設(shè)計(jì)將外部元件進(jìn)行了集成，從而提供更小、更簡單的解決方案。圖 1-5 所示為使用光耦合器的解決方案與 TI 具有單向時鐘和雙向數(shù)據(jù)的單芯片 ISO1641 的布局對比。ISO1641 集成了防止 SDA 同時由隔離器兩側(cè)驅(qū)動所需的內(nèi)部電路。ISO1640 和 ISO1641 在 SDA 和 SCL 線路上集成了內(nèi)部電路，從而在設(shè)計(jì)需要時，在 SCL 線路上通過雙向控制來實(shí)現(xiàn) I2C 時鐘延長。該解決方案非常簡單，因?yàn)樗哂械?SDA 和 SCL 是隔離邊界任一側(cè)的唯一的單個雙向數(shù)據(jù)引腳。此外，輸入經(jīng)過緩沖，降低了解決方案的電流消耗，并消除了對 LED 限流電阻器的需求。與光耦合器解決方案相比，ISO1640 和 ISO1641 顯著降低了電路的尺寸和復(fù)雜性。

雖然現(xiàn)有的基于光耦合器的設(shè)計(jì)可能需要多達(dá) 16 個分立式元件，但 TI 的 I2C 隔離器解決方案可在很小的封裝內(nèi)使用多達(dá) 6 個元件，同時簡化了信號路由。需要與單個 ISO1640 和 ISO1641 一同使用的分立式元件僅包括用于集電極開路 I2C 總線線路的上拉電阻器，以及用于數(shù)字隔離器電源引腳的去耦電容器。通過將此元件數(shù)量減少到具有少量無源器件的單個數(shù)字隔離器，可使設(shè)計(jì)節(jié)省多達(dá)三倍的電路板空間。如 圖 1-5 所示，光耦合器電路的尺寸為 22mm × 15.5mm，而 ISO1641 隔離器的尺寸僅為 15mm × 8mm。

I2C 接口成為了一種具有吸引力的設(shè)計(jì)要素的主要原因在于其尺寸小且簡單（僅需兩條線）?；诠怦詈掀鞯母綦x式 I2C 解決方案需要分立式元件，其復(fù)雜性使得使用該接口的價值大打折扣。通過使用 ISO1640 和 ISO1641 等數(shù)字隔離器解決方案，設(shè)計(jì)人員可以在隔離式解決方案中再現(xiàn) I2C 接口的緊湊價值。